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1、练习三偏心蝶阀摩擦力矩分析练习三偏心蝶阀摩擦力矩分析三偏心蝶阀摩擦力矩分析时间:2009-08-15 来源:兰州理工大学 编辑:俞树荣 内容提示:通过对三偏心蝶阀蝶板的静力分析,推导出三偏心蝶阀的摩擦力矩,并且分析了径向偏心距、轴向偏心距以及偏心角对摩擦力矩的影响。 1、前言 三偏心蝶阀是在双偏心蝶阀的基础上,使蝶板的中心偏置一定的角度,形成三偏心密封结构,从而消除了蝶阀启闭时两密封面之间的机械磨损和擦伤,减小了驱动力矩。密封面位于斜圆锥表面,阀座和密封圈的正截面均为椭圆,这正是其1设计和制造的难点及关键,也是目前不能准确计算摩擦力矩的原因所在。、三偏心蝶阀结构分析 2蝶阀的三偏心结构(图1)

2、是在双偏心蝶阀的基础上再增加一个倾角, 经过最优化设计使密封副的摩擦力进一步下降, 由于采用面密封的结构使接触应力分布均匀、密封更加可靠。三偏心蝶阀的第一个偏心是指蝶板的回转中心L 相对于蝶板中心在轴向存在偏心距c,第二个偏心是指蝶板的回转中心L 相对于蝶板中心在径向存在偏心距e,第三个偏心是指阀座所在圆锥形的高线与阀体通道2、3轴线有一个夹角,即角偏心 。 三偏心蝶阀结构示意图 图1对于三偏心结构的蝶阀, 由于轴向偏心距c的存在,保证了蝶阀密封面是一个完整连续的锥面,并且该密封面的几何中心容易确定,降低了密封面加工制造的难度。若密封面为正圆锥面, 则由于蝶板密封面的回转半径大于阀座密封面相应

3、部位的半径,从而在关闭时蝶板密封表面不能进入阀座,即产生“干涉”现象,而采用偏心角为的锥面即所谓圆锥斜切可以解决这个问题。其密封面为斜置锥形,蝶板与阀座的密封接触为面接触,依靠密封面与阀座的充分接触来达到密4、5封效果 。 从图1得蝶板中性面椭圆的长半轴A 和短半轴B 分别为:式中A 中性面椭圆长半轴, mm B 中性面椭圆短半轴, mm R0 密封圆锥底半径, mm E蝶板厚度, mm 密封圆锥半锥角, ? 角偏心, ? 3、静力分析 当蝶板处于临界状态(即蝶板在关闭的瞬间)时,其上的作用力包括:密封面上的单位正压力N (方向垂直于密封面且为均布的空间力系)和摩擦力fN (方向沿密封表面并且

4、阻止蝶板运动的空间力系)以及介质对蝶板的压力p (方向取决与介质流向) 。而摩擦力fN 与摩擦系数f有关,摩擦系数f与密封副材料、加工方法、表面光洁度和硬度、润滑状态及温度等因素有关,可以通过试验测试来6确定其准确数值 。 图2 蝶板受力示意 三偏心蝶阀摩擦力矩分析 时间:2009-08-15 来源:兰州理工大学 编辑:俞树荣 内容提示:通过对三偏心蝶阀蝶板的静力分析,推导出三偏心蝶阀的摩擦力矩,并且分析了径向偏心距、轴向偏心距以及偏心角对摩擦力矩的影响。 当介质为正流状态时(介质流动方向与蝶板关闭方向相同)蝶板密封面受力情况如图2所示。密封面上所受的压力N 是均布力,方向垂直于密封表面,即垂

5、直于圆锥母线与该点的切线所组成的平面,并且压力是一空间力系。由于蝶板的密封表面与阀座密封面之间有运动的趋势,且存在着相互作用力,则两密封面之间也必然存在着一定的摩擦力, 其大小为fN, 方向沿圆锥母线且阻止蝶板的运动。 力的平衡方程以阀杆轴线为界, 图3所示椭圆被分为上下两部分,根据对称性可将该椭圆分为两个区间: 0,1 和1 , 。 图3 蝶板截面示意 通过各力在圆锥轴线方向上的投影可列出相应的力的平衡方程式,进而可求出密封面上所受的压力N: 式中p管道中流体介质压力,MPa f与密封副材料有关的摩擦系数 4、摩擦力矩计算 由于三偏心蝶阀密封面为圆锥的表面, 密封为面接触密封,求出蝶板密封表

6、面上的摩擦力后,再求作用于蝶板上、下两部分的摩擦力矩。在求摩擦力矩的时候,为计算方便,取蝶板中性面椭圆代替蝶板进行分析。如图4所示, 首先将摩擦力进行分解,对于阀杆有力矩作用的分力,分别求出摩擦力矩,最后将各分摩擦力矩合并为总的摩擦力矩。假定摩擦力矩逆时针为正,顺时针为负。图4 摩擦力分解示意 (1)摩擦力分力fN cos1 (图4)引起的蝶板上部分的摩擦力矩(逆时针方向) :(2) 摩擦力分力fN cos1引起的蝶板下部分的摩擦力矩(逆时针方向) :( 3) 摩擦力分力fN sin1 cos(图4)引起的蝶板上部分的摩擦力矩(逆时针方向) : (4) 摩擦力分力fN sin1 cos引起的蝶

7、板下部分的摩擦力矩(顺时针方向) :式中C长轴上的焦点半径, mm 焦点参数, =B2 /A e椭圆离心率 三偏心蝶阀摩擦力矩分析 时间:2009-08-15 来源:兰州理工大学 编辑:俞树荣 内容提示:通过对三偏心蝶阀蝶板的静力分析,推导出三偏心蝶阀的摩擦力矩,并且分析了径向偏心距、轴向偏心距以及偏心角对摩擦力矩的影响。 5、特殊情况 当 = 0时,阀座的内表面由斜圆锥变为正圆锥,阀座和密封圈的正截面为圆。这就是蝶阀的双偏心结构,双偏心是三偏心的特殊情况,此时密封面上所受的压力N 为: 式中 R 圆锥中性面圆半径, mm 6、实例分析 下面通过实例分别探讨摩擦力矩与三偏心蝶阀主要参数的关系。

8、由于蝶板中性面椭圆的半长轴A 和半短轴B 均和蝶板密封面所在的圆锥半径R0有关7 , 现给出以下参数: R0=42mm, c=5mm, e=3mm, =10?, E=8mm, p=1MPa, =10?, f=0.3。根据以上所给的参数, 可以计算出三偏心蝶阀的摩擦力矩M。分别改变径向偏心距e,轴向偏心距c以及偏心角的值,相应的视为已知量,由公式( 9)可计算出对应的摩擦力矩,如图5,7所示10 。图5 摩擦力矩与轴向偏心距c的关系曲线 7、结论 (1)三偏心蝶阀的轴向偏心距c对蝶阀的摩擦力矩影响不大, 几乎成水平直线, 对于一定口径,不同值及e值都对应一个最小的c值,否则将发生干涉。一般在设计

9、时,由于结构和空间的问题, c的值不会很大; 图6 摩擦力矩与径向偏心距e的关系曲线 图7 摩擦力矩与偏心角的关系曲线 (2)对于同一口径的三偏心蝶阀, 其摩擦力矩与径向偏心距e近似成正比, 而其变化也很明显,在设计时应尽量减小e的值; (3)同样对于同一口径的三偏心蝶阀, 其摩擦力矩与角偏心近似成反比, 增加偏心距有利于减小摩擦力矩,这是蝶阀三偏心结构设计的特点,一般取0?。 参考文献: 1 Singh Phull H. New developments in trip le - offsetbutterfly valves J . World Pumps,2004, (456) : 402

10、44. 2 李咸有. 三偏心蝶阀的蝶板偏心角及回转中心位置的优化设计J. 流体机械, 2000, 28 (11) : 22225. 3 张清明. 双斜面三偏心蝶阀的设计J. 阀门,2005, (5) : 125.4 梁瑞,姜峰,周新华,等. 三偏心蝶阀金属密封副干涉三维分析J. 流体机械, 2003, 31 (8) : 18220. 5 梁瑞,姜峰,俞树荣,等. 三偏心结构蝶阀金属密封副干涉几何学分析J. 流体机械, 2003, 31 (5) :22224. 6 郝承明. 三偏心蝶阀密封结构的分析与研究J.阀门, 2001, (1) : 125.7 吴健. 三偏心蝶阀的力学分析J. 煤矿机电,

11、2006,(3) : 8210.振动时效技术在碟阀体中的应用时间:2009-08-27 来源:漯河市职业技术学院机电工程系 编辑:刘宏杰 内容提示:本文根据振动时效的原理，详细介绍了该装置的操作方法和原理，结合碟阀体的结构和内应力特点，从振动时效的操作方法和工艺参数的优化等方面作了分析，提出了一些有效的技术方法，对于更好地推广应用振动时效技术起到了指导作用。 时效是消除机械加工零件残余应力的基础工艺。振动时效在70年代起源于美国，后来在德国、英国、法国得到了广泛的应用，我国从80年代初开始引进使用振动时效工艺。由于振动时效是一种高效、节能、环保及低成本的时效方法，与传统的热时效和自然时效相比，

12、振动时效具有生产周期短，场地简单灵活方便，生产费用低，无环境污染等优点。由于振动时效的无比的优越性，又适应现代工业对能源和环保的要求，应用振动时效是企业改进传统工艺提高市场竞争力的最佳选择，目前在某些方面已取代了传统的热时效和自然时效。1、振动时效机理及装置的原理 1.1、振动时效机理 工件在毛坯制造及切削加工等过程中，使内部产生残余应力，致使工件处于不稳定状态，降低了尺寸稳定性和机械物理性能。振动时效工艺是通过锤击来消除金属工件中的残余应力的。工件在周期外力作用下产生共振，共振中交变动应力与工件内部残余应力叠加，经过一定时间，材料发生局部屈服，导致晶内和晶界错位产生滑移，原子从不稳定位能高的

13、位置移向较稳定的位能低位置。经过此过程，工件宏观残余应力得到迁移、降低和均化，从而降低或消除工件的内部残余应力。 1.2、振动时效装置的原理 机械振动时效装置主要包括激振器、控制主机、加速度传感器、支撑橡胶等部分。主要功能是控制激振器在某个激振力输出水平，在一定频率(转速)范围对任一频率以较高的稳频精度工作.尤其是共振峰前后负载特性变化较剧烈的情况下，并记录、识别和输出有关时效曲线及参数。其工作原理图如图1 所示。2、碟阀箱体振动时效的工艺 振动时效的效果取决于振动时效的工艺的选择。如图2 所示是一个冶金蝶阀体，是由铸造而成的结构件，其形状复杂，刚性相对大，凸凹面多，壁厚不均，残余应力大且分布

14、繁杂。以前采用自然时效的工艺中存在很多的缺点，某公司自2005 年开始采用振动时效工艺以来，在产品的质量和生产效率方面取得了很大的进步。多年的生产实践经验表明:由于振动时效的工艺比较复杂，必须对箱体类零件进行振前的工艺分析，设计优化振动参数以提高振动时效的效果。2.1、工艺分析 按照振动失效的工艺规范，对工件时效前应进行工艺分析，以达到节约电能和工作时间的目的。首先，应根据工件的材质、结构、毛坯制造的工艺形式和过程，分析箱体的残余应力场的分布，尺寸精度要求，以及工作载荷，可能的失效原因等因素进行分析，然后再决定实施振动时效的工艺路线及时效重点部位。冶金蝶阀体一般按箱体类工件对待，该类工件的结构

15、一般较复杂，受力条件恶劣。箱体毛坯一般是铸造或焊接的构件，对于铸件产生的残余应力应根据铸造工艺，如结构形状、浇口位置、壁厚薄及冷却的情况来分析判断应力的情况。对组焊件来说，各焊接件的先焊和后焊的次序、坡口的大小及焊缝的形状和位置等，对产生的残余应力大小和分布均有影响。 根据箱体在服役时的载荷情况来分析，箱体的承受的工作载荷往往较复杂，由于冶金蝶阀体在工作中主要承受弯曲变形，因此，该类工件失效振动则主要采用弯曲振型。 2.2、工艺参数的优化 振动时效的工艺参数包括激振点、支撑点、激振频率、激振力和激振时间，这些参数的选取应依据工件的固有振动特性来确定。当激振频率处于工件的固有频率附近时，用较小的

16、激振力可以激起足够大的动应力，只有用工件固有频率进行激振，才能最经济、最简便、最迅速地降低工件的残余应力。但是在实践中发现，由于采用激振力大小、激振力频率和激振点的位置不合理，有时会出现达不到消除残余应力的效果，工件只是局部的消除了残余应力;有时甚至将工件振裂。因此有必要对振动时效工艺参数进行优化设计。 根据振动时效设备使用手册中操作要求，在振前对工件进行多点扫频，并在扫频同时跟踪绘制振前工艺曲线及打印参数，综合所有扫频曲线对应的固有频率，找出有效消除工件关键部位应力的有效振型(以及对应的有效频率)，直接对这些有效频率有效振型)时效，同时在线打印g-t曲线以观察时效进程，决定何时停机，然后再通过对该频率(振型)局部扫频和局部打印 。